분권전동기의 결선도는 그림 48과 같다. 전기자회로와 분권계자회로는 일정 직류전압원 Vt에 병렬로 연결되어 있다. 계자회로에 외부계자 조정저항(Rfc)을 삽입하여 전동기의 속도를 조절한다. 전동기가 직류전원으로부터 전력을 공급받고 이때 전류 It가 직류 전원의 양극 단자로부터 기계로 흐른다. 계자회로와 전기자 회로 모두가 일정 직류전원에 연결되어 있기 때문에 타여자일 때와 분권일 때의 결선은 동일하다. 계자회로의 동작과 전기자 회로의 동작은 관련이 없다.
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직류 전동기의 정상상태 동작을 나타내는 방정식은 다음과 같다.
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직류기에서 전력의 흐름을 나타낸 것이 아래 그림이다. 기계에서 발생하는 여러 가지 손실을 계산식과 입력전력에 대한 비율로 표시했다
그림 49-2와 같이 발전기로 동작하고 있는 기계에서 입력전력은 원동기에 의해서 구동되는 기계적인 힘이다. 이 입력의 일부분은 풍손과 마찰을 이기고 회전자를 회전시키는데 필요한 회전손실이다(회전자 철손포함). 나머지 입력은 전기적인 출력 EaIa로 변환된다. 이때 발생하는 전기적인 출력의 일부분은 Ra(브러시접촉저항포함)에서, Rf(Rfc+Rfw)에서 그리고 Rst에서의 손실로 소모된다. 나머지 출력이 이용가능한 전기적인 전력이 된다
손실의 비율은 직류기의 크기에 따라 변한다. 그림 49에서 보인 손실비율은 직류기의 용량이 1~100kw 또는 1~100마력인 경우이다. 용량이 작은 기계에서는 손실의 비율이 높고 용량이 큰 기계에서는 손실비율이 낮다.
대부분의 직류전동기는 기계적인 부하를 구동하는데 사용된다. 전동기에 인가된 부하의 크기가 변하더라도 속도가 일정해야 하는 경우가 많다. 반면에 광범위하게 속도를 변화시켜야 하는 경우도 많다. 직류 전동기를 특정한 목적으로 사용하는 경우에는 속도토크특성을 숙지하고 있어야 한다.
그림 50 에서 타여자 전동기의 전압,전류,속도,토크의 관계는 다음과 같다.
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단자전압 Vt와 자속 Φ가 일정하다면 토크 특성곡선은 그림 51과 같다. 속도변동률이 우수하면 인가된 토크가 증가해도 속도의 감소는 작다. 실제 기계에서는 T나 Ia가 증가하면 전기자 반작용에 의해 자속 Φ가 감소하기 때문에 속도는 그림 51에 표시한 것보다 더욱 감소한다. 결과적으로 전기자반작용은 직류기에서 속도변동률을 좋게 한다. |
이 방식은 전기자 회로저항 Ra와 계잔전류 If는 정격치로 일정하게 유지하고, 전기자단자전압(Vt)은 속도에 따라 변한다. 전기자 반작용을 무시하면 식 (42)로부터
여기서
엘리베이터나 크레인과 같이 부하토크가 일정한 경우에
그림 a와 같이 속도는 Vt애 따라서 직선적으로 변한다. 단자 전압이 일정하고
부하토크가 변하면 속도는 그림 b에서와 같이 Vt에 따라서 변한다.
실제로
단자전압이 변해서 속도가 변할 때 전기자 전류는 일정하다(폐루프제어를 함)
식(39)에서 Ia 가 일정하면
따라서
전기자 전압제어방식을 사용하면 속도를 0에서 기준속도까지 연속적으로 변화시킬 수 있다. 기준속도는 정격단자전압에서의 속도로 정의할 수 있다. 이 속도 제어방식은 전기자 회로에 직류저압을 공급해야 하기 때문에 비용이 많이 소요된다.
이 방식은 전기자 회로저항 Ra와 단자전압 Vt는 일정하게 유지하고, 계자회로의 전류 If(결국Φ)를 변화시켜 속도를 변환시킨다. 그림의 계자회로 조정저항 Rfc를 이용한다.
자기회로의 특성이 선형이라면 자속 Φ는 계자전류 If에 비계한다. 따라서
식(42)와 식(44)로부터
무부하시에는 T ~~ 0 이므로 식(45)로부터
속도는 그림 b에서와 같이 계자전류에 반비례한다. 계자회로가 끊어지면(If=0) 속도는 위험할 정도로 높아진다.
어떤 If에 대해서 식(45)로부터
여기서
무부하속도
어떤 If에 대해 토크가 증가할 때 속도는 어떤 범위내에서 거의 일정하다. 그림 C와 같이 If를 조절하면 속도범위를 바꿀 수 있다. 따라서 전기자 전압제어와 같이 계자제어는 정속도 제어뿐만 아니라 가변속제어에도 사용될 수 있다.
속도를 0에서 기준속도까지 변화시킬 때에는 일반적으로 전기자 전압제어를 사용한다. 기준속도 이상으로 속도를 증가시킬 때에는 계자전류를 줄이는 약계자제어방식을 사용한다, 기준속도에서 전기자 단자전압은 정격전압이다. 전기자 전류가 정격을 넘지 않으면(과열제한범위) 기준 속도 이상의 속도에서는 출력이 일정하도록 제어하는 일정출력운전을 해야 한다.
: 일정
따라서 약계자 영역에서는 속도가 증가하면 토크가 감소한다. 전기자 전압제어(일정토크운전)와 계자제어(일정출력운전)의 특성을 그림 d에 표시한다.
계자제어는 전류가 적게 소요되는 계자회로의 인덕턴스가 크기 때문에 계자회로의 전류변화가 느려서 속도응답이 늦다.
이 방식은 전기자 단자전압 Vt와 계자전류 If(결국Φ)는 일정한 정격값으로 유지하며, 전기자회로의 저항을 바꾸어서 속도를 변환시킨다. 그림의 전기자 회로 조정저항 Rae를 이용한다.
식 42로부터
Vt와 Φ가 일정하면
여기서
무부하속도
그림 54의 b 에서는 여러 가지 전기자 회로저항에 대한 속도-토크 특성을 표시했다. 전기자전류 Ia(결국 토크 T= KaΦIa)가 일정한 상태에서 다양한 속도를 얻기 위해서는 Rae를 조정한다. 그림 54의 b는 토크가 T* 일 때의 여러 가지 Rae 값이다. 그림 54의 C는 일정 토크운전을 할 때의 속도저항 특성곡선이다. 그림 54의 d에서와 같이 일정 토크에서 외부저항 Rae를 바꿈으로서 속도는 0에서부터 기준속도까지 바꿀 수 있다.
전기자저항제어는 적용하기 쉽다. 그러나 이 방식은 Rae에서 발생하는 저항 손실 때문에 효율이 낮다. 많은 차량에서는 아직도 이 방식을 사용하고 있다 Rae에는 전기자 전류가 흘러야 하므로 Rae는 계자 제어에 사용되는 계자조정저항(Rfc)보다 가격이 비싸다.
가변속도시스템이 가변 전압원으로부터 전압이 공급되는 직류전동기를 사용하고 있다. 토크와 출력의 관계는 그림 53의 d와 같다. 계자전류는 일정하고 단자전압을 0에서 500V까지 변화시켜서 속도를 0에서 기준속도 1500rpm까지 변화시킨다.
n = 3000[rpm], Vt = Ea = 500V
또는
[예제1]
[문] 직류기(12kw, 100V, 1000rpm,) 전기자저항 Ra =
0.1Ω, 분권계자권선의 저항 Rfw = 80Ω, 극당 Nf = 1200횟수이다. 정격계자전류는
1A이고 1000rpm에서의 자화곡선은 그림 24와 같다.
상기의 직류기를 100V
직류에 연결해서 전동기로 사용한다. 무부하시에 1000rpm을 회전하고 전기자에
6A가 흐른다.
[풀이]
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전동기에 부하가 인가된 경우 
공극자속이 무부하시와 동일한 경우란 전기자 반작용이
없을 때에 해당되므로 
공극자속이 5% 감소한 경우란 전기자 반작용이 있을
때를 의미하며 
전기자 반작용에 의해서 자속이 감소하면 속도는 증가한다.
속도에 따라서 회전손실이 변하지 않는다고 가정
수식 
전기자 반작용을 무시하면 부하시의 자속은 무부하시로부터 얻을 수 있다.
일 때 Ia = 180A
그림 4.24의 자화곡선으로부터 이때 발생하는 전압은
[문제2]
[해설]
문제 1에서 If = 0.99A
전부하시에 
at 932rpm
1000rpm일 때의 Ea를 알면 그림 4.24의 자화곡선으로부터 전부하시의 유요계자전류 If(eff)를 얻을 수 있다.
Ea = 94.42V, 1000rpm일 때 자화곡선으로부터
이에 해당하는 기자력 
Ea = 88V at 800rpm
1000rpm에서 Ea = 110V 일 때 자화곡선으로부터
자화곡선에서 1000rpm, If = 0.4A일 때 Ea = 65V 이다. 그러나 전부하시 Ea = 88V이다 (위 1과 2에서) 동작속도가 n rpm 이라면
